河南理工大学毕业设计基于Matlab的光伏发电并网系统设计

河南理工大学毕业设计（论文）说明书I摘要目前，光伏并网发电技术是新能源发电领域中的一个非常重要的研究方向。本文以小功率单相光伏发电并网系统为对象进行了研究设计，主要设计内容包括工程用光伏电池仿真模型、光伏发电最大功率跟踪模型、并网逆变器、并网滤波器和两级式光伏发电并网系统及其控制策略等，并基于理论指导进行了系统的仿真实验。首先，研究分析光伏电池的基本原理与等效数学模型，搭建其仿真模型，仿真分析其在不同光照强度与温度下的输出特性；对DC/DC变换电路原理及其优、缺点进行了研究分析，选择BOOST升压电路实现最大功率点跟踪；对几种常用的最大功率点跟踪控制算法进行详细分析，最终确定使用自适应变步长的电导增量法对本设计的最大功率跟踪进行控制。然后，研究并网逆变器的拓扑结构与控制策略，搭建并网逆变器仿真模型，利用固定开关频率的电流闭环控制算法实现并网电流波形对电网电压波形的追踪和单位功率因数并网。并采用带阻尼的LCL滤波器对并网电流进行谐波抑制，使得电流谐波含量满足电力系统规定的并网要求。最后，通过两级系统的协调控制，基于光伏发电，经BOOST电路的MPPT控制和DC/AC的逆变并网，成功实现了光伏发电并网系统的建模与仿真。采用电压外环电流内环的双闭环控制方法，使整个系统不但能快速地跟踪环境变化进行MPPT控制，而且能实现单位功率因数和低谐波含量并网，具有优良的动态和稳态性能。本文还对孤岛效应产生的原因及其危害进行了详细阐述。关键词最大功率跟踪；并网逆变器；LCL滤波；光伏并网；孤岛效应河南理工大学毕业设计（论文）说明书IIABSTRACTCURRENTLY,PHOTOVOLTAICPVGRIDCONNECTEDGENERATINGTECHNOLOGYBECOMESAVERYIMPORTANTRESEARCHAREAINTHEFIELDOFNEWENERGYPOWERGENERATIONTHISPAPERFOCUSESONTHELOWPOWERSINGLEPHASEPVGRIDCONNECTEDSYSTEMANDDOESALOTOFDESIGNWHICHINVOLVESPVCELLSIMULATIONMODEL,MAXIMUMPOWERPOINTTRACKINGMPPTMODELFORPVGENERATING,GRIDCONNECTEDINERTER,FILTEROFGRIDCONNECTEDSYSTEM,GRIDCONNECTEDSYSTEMOFTWOSTAGEPVGENERATINGANDCONTROLSTRATEGIESFIRSTLY,THESIMULATIONMODELOFPVCELLISESTABLISHEDONTHEBASEOFITSFUNDAMENTALTHEORYANDEQUIVALENTMODEL,WHICHISUSEDTOSIMULATEITSOUTPUTCHARACTERISTICSINDIFFERENTILLUMINATIONINTENSITYANDTEMPERATURETHEPAPERANALYZESSTRENGTHENSANDWEAKNESSESOFTHEDC/DCCIRCUITANDCHOOSESTHEBOOSTCIRCUITTOREALIZEMPPTANDAPOWERDETECTIONADAPTIVEVARIABLESIZEOFTHEINCREMENTALCONDUCTANCEMETHODISSELECTEDTOCONTROLMPPTTHEN,THEGRIDCONNECTEDSIMULATIONMODELISESTABLISHEDTHROUGHITSRESEARCHOFTHETOPOLOGICALSTRUCTUREANDCONTROLMETHOD,ANDTHECURRENTCLOSEDLOOPCONTROLMETHODOFFIXEDSWITCHINGFREQUENCYISUSEDTOREALIZETHENETWORKVOLTAGEOFTRACKINGANDTHEGRIDCONNECTINGINUNITYPOWERFACTORTHELCLFILTERWITHDAMPINGREDUCESTHEHARMONICSINTERFERENCEOFCURRENTEFFICIENTLY,ANDTHETOTALHARMONICDISTORTIONTHDCANMEETTHEREQUESTOFPOWERSYSTEMFINALLY,COORDINATEDCONTROLSYSTEMOFTWOSTAGEMAKESTHEWHOLESYSTEMWORKRELIABLYTHEPOWEROFPVARRAYSCANBETHEMAXIMUMBYMPPTBASEDONBOOSTCIRCUIT,ANDTHEDC/ACCIRCUITFEEDSTHEPOWERINTOTHEELECTRICITYGRIDSYSTEMTHEWHOLESYSTEMISMODELEDBYMATLAB,ANDTHETWOLOOPVOLTAGEANDCURRENTCONTROLMETHODISUSEDTOTHISSIMULATIONSYSTEMSIMULATIONRESULTSSHOWTHATTHEWHOLESYSTEMCANREALIZEALOWERTHDANDUNITYPOWERFACTORGRIDCONNECTEDOPERATIONWITHTHEMAXIMUMPOWEROFPVARRAYSBESIDES,THESYSTEMSHOWSSATISFACTORYDYNAMICANDSTATIONARYPERFORMANCESTHISPAPERALSOMAKESADETAILSTATEMENTONREASONSANDHARMOFISLANDINGEFFECTKEYWORDSPVCELLMPPTINVERTERLCLFILTERPVGRIDCONNECTEDANTIISLANDING河南理工大学毕业设计（论文）说明书I目录1绪论111光伏发电并网研究的目的及意义112光伏发电系统的概述213国内外光伏发电并网技术的发展214本设计的主要任务32系统总体结构设计53光伏发电及最大功率跟踪建模与仿真631太阳能光伏电池的建模与仿真6311光伏电池数学模型的建立7312光伏电池MATLAB仿真模型的建立10313光伏电池输出特性仿真分析1132最大功率跟踪算法的实现设计12321定电压跟踪法14322扰动观察法15323电导增量法16324其它MPPT方法17325最大功率跟踪算法的确定1933最大功率跟踪主电路的设计20331DCDC变换电路的选择21332BOOST变换电路主要参数的设计2634最大功率跟踪建模与仿真28341仿真模型的建立及参数的确定28342仿真结果分析294光伏发电并网系统的实现设计3141并网逆变器主电路的设计31411并网逆变器输入输出方式的确定31412并网逆变器拓扑结构的确定33413并网逆变器绝缘方式的确定3442并网逆变器控制策略设计35河南理工大学毕业设计（论文）说明书II421并网逆变器控制目标35422输出电压型控制策略36423输出电流型控制策略3643输出滤波器设计38431不带阻尼的滤波器38432带阻尼环节的滤波器4144调制方式的确定4345并网逆变器的建模与仿真4446光伏发电并网系统的实现46461光伏发电并网系统结构设计46462光伏发电并网系统的建模与仿真4747光伏发电并网系统的孤岛现象49471孤岛效应产生的原因及其危害49472孤岛效应的检测标准505总结与展望5251全文总结5252展望53致谢54参考文献55附录57河南理工大学毕业设计（论文）说明书11绪论11光伏发电并网研究的目的及意义能源是人类社会生存和发展的重要物质基础。近年来，世界化石能源的有限性和开发利用过程中引起的环境污染问题日益突出，已经成为制约世界经济可持续发展的主要瓶颈，清洁的可再生能源的开发利用受到世界各国高度重视。太阳能作为一种巨量的可再生能源，以其清洁、安全的特点成为具有高度污染性化石能源的主要替代能源。太阳能的利用形式有很多种，其中光伏并网发电作为主要利用形式之一，受到人们的倍加关注。所以，在世界化石能源紧缺和环境污染严重的今天，深入开展太阳能光伏并网发电技术的研究，对于缓解能源危机和加强环境维护、促进经济的可持续发展都具有深远而重大的理论和现实意义1。并网发电作为太阳能发电的主要方式，受到了世界各国极力推崇与大力发展。并网光伏发电具有许多优点2，概括如下1利用取之不尽用之不竭的太阳能发电，不用消耗化石能源，无温室气体和污染物排放，符合经济社会和谐、可持续发展的战略。2并网发电不用中间蓄能装置，所发出的电能直接送入电网，相当于把电网作为储能装置，与独立光伏发电系统的比较，减少2530投资成本。此外，省掉蓄电装置还可以提高系统的平均无故障时间，避免蓄电装置二次污染。3分布式建设，发供电就近就地分散，进退电网灵活方便，不仅有利于增强整个电力系统承担风险的能力，还能对电力系统的负荷平衡起到调节作用，并降低线路损耗。4并网光伏发电系统还可以起到电网调峰作用。但是并网光伏发电也存在一些缺点2，比如同火电相比，目前并网光伏发电成本相对较高，在没有国家支持的情况下，难以得到普及；其次，并网光伏发电受地理位置、温度、光照强度等各种因素的制约相当严重；再者，光伏电池的光电转换的效率低下，因此对并网光伏发电系统的效率要求较高；此外，并网光伏发电系统的设计较为复杂，存在孤岛效应等问题，这也严重制约并网光伏发电的市场应用与发展。但不可否认的是，并网光伏发电具有巨大的市场潜力与广阔的前景。因此，并网光伏发电系统的研究受到了学术界与工业界的极大重视，这也必将促使不断解决现如今并网光伏发电产业所存在的问题，推动并网光伏发电向前发展。可以推测，并网太阳能光伏发电必将在人类未来河南理工大学毕业设计（论文）说明书2发中占重要地位。12光伏发电系统的概述光伏发电系统PVSYSTEM是将太阳能转换成电能的发电系统，利用的是光生伏打效应3。光伏发电系统分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统4。它的主要部件是太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器。其特点是可靠性高、使用寿命长、不污染环境、能独立发电又能并网运行，受到各国企业组织的青睐，具有广阔的发展前景。独立太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式，典型特征为需要用蓄电池来存储夜晚用电的能量。独立太阳能光伏发电在民用范围内主要用于边远的乡村，如家庭系统、村级太阳能光伏电站；在工业范围内主要用于电讯、卫星广播电视、太阳能水泵，在具备风力发电和小水电的地区还可以组成混合发电系统，如风力发电/太阳能发电互补系统等。并网太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电连接到国家电网的发电的方式，成为电网的补充，典型特征为不需要蓄电池。民用太阳能光伏发电多以家庭为单位，商业用途主要为企业、政府大楼、公共设施、安全设施、夜景美化景观照明系统等的供电，工业用途如太阳能农场。目前对光伏并网系统的研究，大多是针对中小型光伏并网电站或是对小区成套光伏屋顶，一般以单相光伏发电并网系统为研究对象。此光伏并网系统也就是本文所称的单相光伏并网系统。这种系统应该是小功率，小体积，低噪声，性能可靠。研发这种系统的目的，是为了推广光伏技术产品进入千家万户。随着太阳能技术的发展，光伏电池的价格下降到适中位置，太阳能产品将以其节能环保的优势，成为一种广为普及的太阳能利用方式。根据其所接负荷的不同，可以进一步分为三相、单相系统，由于设计成三相系统时，其整体效率不如单相，一般可通过三个单相逆变器组成三相逆变器，同时一般居民用电网络均为单相系统，因此设计小容量光伏发电系统均从单相系统着手。13国内外光伏发电并网技术的发展目前生产光伏电池的原料硅的生产技术发展较为缓慢和落后成为了制约光伏发电发展的一个瓶颈5。由于光伏电池的转换效率还比较低，往往单片的光伏组件的输出电压和电流都比较小，为了达到系统的额定功率，需要串并联许多光伏组件成为一个光伏河南理工大学毕业设计（论文）说明书3阵列。光伏发电并网系统的拓扑结构主要分为单级式和两级式。两级拓扑结构一般由DC/DC变换器和DC/AC并网逆变器组成，前端的DC/DC变换器一般是比较常见的BOOST、BUCKBOOST、CUK或者是推挽电路等，用来实现光伏电池输出的最大功率跟踪控制；而DC/AC一般是单相或三相并网逆变器实现并网、有功调节、无功补偿或者是谐波补偿等功能。单级式拓扑结构只有一级DC/AC电路，它同时实现最大功率跟踪和并网控制。对于光伏电池的最大功率跟踪，国内外都进行了较为深入研究。目前对于MPPT的控制方法有很多，其中的恒定电压跟踪法、导纳增量法、扰动观测法以及控制较为高级和复杂的滑模控制法、神经网络法等。其中很多方法控制精度非常高，但是控制器的设计难度很大，实际系统难以实现。而对于一般的光伏发电系统，采用常规的导纳增量法或者变步长的导纳增量法就能实现较高的精度，而且设计简单，实用性强。光伏并网逆变器的输出控制模式主要有电压输出控制和电流输出控制。电压输出控制型要求其输出电压与电网电压相位频率同步，而且要求等幅值并网；而电流输出控制型则只要求输出电流与电网电压同频同相。由于控制逆变器的输出电流与电网电压同频同相不但较为简单，而且性能优良，所以目前国内外多是采用控制电流输出的并网模式。而控制系统的调制方式在单相系统中往往采用SPWM调制，三相系统中则多采用SVPWM调制方式。光伏逆变器还必须具有较为准确可靠的反孤岛效应功能。孤岛效应的检测与防止策略必须实现在电网正常时，不对并网电流产生较大的谐波污染，还需要在电网脱离光伏系统后，及时检测出孤岛效应并加以防止。孤岛效应的检测方法较多的采用主动式检测法，主要针对频率、电压幅值、以及功率等信号进行扰动形成正反馈加以检测。在孤岛效应的检测与防止领域，相关权威机构制定了一个IEEESTD2000929标准6和UL1741标准7，系统必须应满足标准规定的要求。14本设计的主要任务本文主要针对小功率单相光伏系统进行并网设计，运用理论研究结合仿真分析的方法，对两级式光伏并网系统的DCDC部分和DCAC部分进行设计，并利用MATLAB软件进行建模仿真。论文的主要设计工作如下1、研究分析光伏电池的基本原理与等效模型，并选择其中一种适合工程研究分析所用的模型，仿真分析其在不同光照强度和不同温度下的输出特性。河南理工大学毕业设计（论文）说明书42、对直流电压变换电路原理与优缺点进行研究，选择BOOST升压电路实现最大功率跟踪（MPPT）；详细分析几种常用的最大功率跟踪的控制算法，选择自适应变步长电导增量法实现最大功率跟踪的控制，并搭建仿真模型进行仿真实验。3、研究光伏并网逆变器的拓扑结构与控制方法，选择合适的拓扑电路，搭建并网逆变器的仿真模型，并利用固定开频率的控制算法进行仿真实现并网电流对电网电压的单位功率因数追踪。4、建立1KW两级式光伏发电并网系统仿真模型，实现最大功率跟踪与逆变并网的协调控制。对光伏发电并网系统产生孤岛效应的原因及其危害进行分析研究。河南理工大学毕业设计（论文）说明书52系统总体结构设计本设计主要针对小功率光伏发电系统，由于小功率光伏电池板输出的电压比较低，达不到并网的要求，因此需要用到直流升压电路将电压升高；要想将光伏阵列发出的直流电并入工频交流电网，必须将直流电转换为与工频电网同频同相的交流电，因此需要使用逆变器进行直流电到交流电的转换；由于逆变器直接输出的交流电含有大量的谐波，因此需要使用滤波电路将谐波滤除，滤除谐波后的交流电才能达到并网的要求。光伏并网系统主要有六大部分组成，分别为光伏电池阵列、DC/DC升压电路、DC/AC逆变电路、并网滤波电路、最大功率跟踪控制器和并网逆变控制器。其中DC/DC升压电路和DC/AC逆变电路为主电路，最大功率跟踪控制器和并网逆变控制器属于控制电路。系统总体拓扑结构如图21所示。光伏电池阵列DC/DC升压DC/AC逆变工频交流电网MPPT控制器并网控制器滤波电路图21光伏发电并网系统拓扑结构光伏电池陈列是由若干个太阳能电池单元通过串并联组成的，是用来将太阳能转换为电能的装置。DC/DC升压电路由BOOST升压电路构成，通过直流斩波技术将光伏阵列两端的低电压升高到满足并网条件的高电压。MPPT控制器通过对DC/DC升压电路的控制实现光伏电池阵列的最大功率跟踪，使光伏电池阵列始终工作在最大功率点处。DC/AC逆变电路由单相全桥逆变器构成，属于电压型逆变电路，用来将升压电路输出的直流电逆变成交流电。并网控制器通过电压电流双闭环对逆变电路进行控制，电压外环实现直流母线电压的稳定，电流内环实现逆变器输出的电流对工频电网频率和相位的跟踪，使其输出的电流接近与工频电网同频同相的正弦波。滤波电路通过对逆变器输出电流中谐波的滤除，得到与工频电压同频同相的电流，实现单位功率因数并网。本文通过MATLAB/SIMULINK平台对并网系统的各个部分建立模型进行仿真。首先对光伏电池阵列建立仿真模型，并对其输出特性进行仿真分析；再对DC/DC变换电路和最大功率控制电路进行设计，并建立模型进行仿真；然后对DC/AC变换电路、逆变器控制电路和滤波电路进行设计，并建立模型进行仿真；最后将各个部分按图21所示的结构进行连接，使各部分协调控制实现光伏发电并网。河南理工大学毕业设计（论文）说明书63光伏发电及最大功率跟踪建模与仿真31太阳能光伏电池的建模与仿真太阳电池SOLARCELL通常由半导体材料制成，其作用是把太阳能直接转换为直流形式的电能，是光伏阵列中光电转换的最小单元，由于单个太阳能电池的功率极小，因此一般不单独作为电源使用。实际应用中是将许多单个太阳电池经过串联或者并联组合，并进行封装后构成太阳电池组件使用，所以我们实际应用中的最小单元是太阳电池组件，光伏阵列就是由许多太阳电池组件经过相应的串、并联后构成。从以上分析可知，掌握光伏阵列的原理和工作特性应该从太阳电池开始。PN光生电动势P区NA电池平衡时B光照时图31光伏电池工作原理太阳能光伏电池的基本工作原理是利用光生伏特效应使太阳辐射能在电池板上的能量转换为电能，光伏电池工作原理如图31所示8。太阳能电池是有若干个PN结构成的，在晶体中P型硅和N型硅对电路是呈电中性的。当太阳光照射到电池板上的PN结时，有一部分光线会被反射，而剩下的光则会被PN结吸收，被吸收的能量除了转换为热能外，其余部分是以光子的形式存在，P型硅和N型硅在具有足够能量的光子作用下能够将电子从共价键中激发，以致产生电子空穴对。在PN结区附近，由于电子和空穴之间的相互扩散作用，会在结区形成一个内电场，其方向是由N区指向P区的。由于内电场的存在，电子将流向N区，空穴将流向P区，最后N区会有多余的电子，P区会有多余的空穴，少数载流子运动到PN结区，就会受到PN结对它们的牵引作用，进而漂移到对方的区域，这样就会对外形成一个与PN结内电场方向相反的光生电场。光生电场抵消部分内电场后，由于P区还是带正电，N区带负电，在P、N区之间产生光生电动势，一旦电路形成通路，电路中就会有电流通过，输出电能。太阳能电池元件根据一定的方式组合在一起，就可以形成一个大的太阳能光伏电池组件，从而在足够光强的太阳光作用下产生一定的电压和电流，实现光电能量转换。目前用于光伏发电系统的太阳电池多为硅材料太阳电池，其中包括单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳电池。河南理工大学毕业设计（论文）说明书7311光伏电池数学模型的建立太阳电池的等效电路如图32所示9。通过分析太阳电池的工作原理可知，光伏电池的输出特性不仅与电池自身的参数有关，还与光照强度和电池温度等外界环境有关，呈非线性。在光照强度不变时，由于光伏电池的光生电流IPH不会随着电池工作状态的改变而发生变化，所以在光伏电池的等效电路中用恒流源来等效光伏电池。当光伏电池连通负载RL，其光电流流过负载电阻时，在负载的两端建立起端电压，而端电压又正偏于PN结二极管，形成与光生电流方向相反的电流ID，削弱了光生电流。其中RS是构成光伏电池的半导体电阻和电极电阻等电阻的和；RSH是漏电阻，指由于制作工艺原因导致电池边缘产生微裂痕等缺陷而引起金属桥漏电，形成了这个旁漏电阻；RS是电池与背面的电极接触及材料本身电阻的一个总等效阻值。IPHIDISHIRSRSHULRLU图32太阳能光电池等效电路根据光伏电池的等效电路可得31又由于32根据理想的PN结特性可得133根据以上式子可得光伏电池的IU特性方程134式中I光伏电池的工作电流（A）IPH短路（光生）电流（A）IO反向饱和电流（A）Q单位电荷（16E19C）T绝对温度（K）河南理工大学毕业设计（论文）说明书8U光伏电池的输出电压（V）K玻尔兹曼常数（1381023J/K）N二极管因子由公式34式可知太阳能电池的光伏特性方程为一超越方程，理论上能够准确得到光伏电池的IU特性曲线，但电压和电流耦合在一起不便于工程实践的相关运算，并且公式34中的IPH、IO、RS、RSH等这些参数不仅与电池自身有关，还与日照强度和温度等外界环境也有关系，要确定这些参数十分困难。一般在工程上所用到的技术参数主要为光伏电池生产厂商提供的数据，因此需要对公式34进行简化，获得适合工程应用的实用化表达式。工程用数学模型强调的是实用性与精确性的结合，因此对公式34化简的基本思想是在保证工程精度的前提下，对公式34所表达的光伏电池输出特性进行适当的简化和变形。光伏模块生产厂家只为用户提供标准测试条件下的开路电压UOC、短路电流ISC、最大功率点处的电流IM、最大功率点处的电压UM和最大功率点处的输出功率PM等五个产品参数。光伏电池工程用数学模型一般会要求电池生产厂家提供上述五个电池参数来复现光伏电池在任意日照和温度条件下的输出特性。在光伏电池中，并联电阻RSH阻值很大，而串联电阻RS阻值则非常小。由于RSH、RS是分别并联、串联在电路中的，因此在进行计算时则可以进行以下的近似10，即A由于RSH很大，使得UIRS/RSH远小于光伏电池的电流，通常情况下可将该项忽略，则135B考虑到RS通常远小于二极管正向导通电阻，因此设定IPHISC，则136此外，还需要考虑光伏电池处在最大功率点和开路状态条件下电压与电流的关系A光伏电池处于最大功率点时，UUM、IIM，则137B光伏电池处于开路状态下时，UUOC、I0则0138综合以上对光伏电池数学模型的分析，可将34式简化为39式，即河南理工大学毕业设计（论文）说明书9112139由于常温条件下21，因此可忽略公式39中的“1”项，于是可得112310由开路条件下的公式38，并把公式310带入公式39，可得2111311因此本模型只需太阳能电池通常的技术参数ISC、UOC、UM、IM就可以根据公式310和公式311得出C1和C2，最后的太阳能电池IU曲线是由公式39确定的。由于光伏电池的输出特性受光照强度和环境温度的影响比较大，一般情况下，标准参考光照强度和温度分别为RREF1000W/M2和TREF25。当外界辐照强度和环境温度发生变化时，必须考虑外界因素的变化对光伏电池特性的影响，需要加以改动光伏电池的模型来描述其在新环境下的特性曲线。对大量实验数据进行拟合，可得到下面在工程应用中已经被证明具有足够的精度的表达式TTAIRKS312式中T光伏电池PN结的温度（）；TAIR外界环境温度（）；S光伏电池阵列所接受的辐照强度（W/M2）；K光伏电池陈列组件结构方式与支架构造的温度系数（M2/W），对于常见的太阳电池阵列支架，可取K003M2/W。根据在标准参考光照强度和温度下光伏电池的ISC、UOC、UM、IM推算出在新的光照强度和温度下光伏电池的ISC、UOC、UM、IM，再带入公式39、310、311即可得到在新的光照强度和温度下光伏电池的特性曲线。313S13141315131613171318其中A00025/、B05、C000288/。河南理工大学毕业设计（论文）说明书10根据公式39公式318可得到图33所示的光伏电池IU特性曲线，简称为伏安特性曲线。由光伏电池伏安特性曲线可以看到，太阳能电池既非恒压源，也非恒流源，它不可能为负载提供无限大的功率，是一种非线性直流电源。输出电流在大部分工作电压范围内相对恒定，最终在大于某一个电压之后，电流迅速下降至零。还可以看出，光伏电池的短路电流ISC即为伏安特性曲线与电流轴的交点；开路电压UOC即为伏安特性曲线与电压轴的交点。图33光伏电池UI曲线图34光伏电池PU特性曲线根据功率定义式PUI，可得到光伏电池的PU输出特性曲线，如图34所示。由光伏电池的PU特性曲线图可以看出，在随着光伏电池的输出电压不断增大的过程中，光伏电池的输出功率并不是一直增大的，而是存在最大功率点MUM，PM。最大输出功率点M对应的电流为最佳输出电流IM，对应的电压为最佳输出电压UM。当达到最大功率点之后，随着电压的增大，输出功率就会快速下降。312光伏电池MATLAB仿真模型的建立图35光伏电池的MATLAB仿真模型图36光伏电池的电气参数太阳能电池可以看成是一个电压控制的电流源，其输出电流与输出电压存在9式对应的关系，根据公式39公式318，再利用MATLAB/SIMULINK17里面的SFUNCTION模块，可建立太阳能电池的MATLAB仿真模型如图35所示。只要输入当前光照强度与环境温度，根据所接负载情况，图35所示仿真模型会在UOCISCU/VI/AU/VP/W21VVMUOCUOCUMUMTTSFUNCTIONSFUNCTIONSSISCISCIMIMSCCS河南理工大学毕业设计（论文）说明书11匹配的工作点下输出功率。为了验证太阳能电池输出功率与光照强度和环境温度的关系，本文选用无锡尚德太阳能电力公司的一款250W单晶硅太阳能电池进行仿真模拟，其电气参数如图36所示。利用所建模型对不同光照强度和不同温度下的光伏电池进行仿真，图37为环境温度为参考温度25时，光伏电池在不同光照强度下的输出特性曲线；图38为光照强度为参考光照强度1000W/M2时，光伏电池在不同的环境温度下的输出特性曲线。AIU曲线BPU曲线图37环境温度为25时光伏电池的仿真特性曲线AIU曲线BPU曲线图38光照强度S1000W/M2时光伏电池的仿真特性曲线313光伏电池输出特性仿真分析1、光伏阵列的输出特性由图37可以看出，光伏阵列的伏安特性近似为矩形，当工作点在最大功率点左侧波动时，光伏阵列类似于恒流源；当工作点在最大功率点右侧波动时，光伏阵列类似于一个恒流源。根据相关文献，恒压源和恒流源的部分所占区域的比值大致为41。光伏阵列所提供的电源是直流电源，不是真正的恒压源和恒流源，而是需要追踪其最大功率点的非线性的电源。2、光照强度对光伏阵列输出特性的影响图7可以看出，相同温度条件下，光照强度变化时，开路电压的变化幅度较小，而0102030400510U/VI/AS400W/M2S600W/M2S800W/M2S1000W/M2S200W/M20102030400100200300U/VP/W1000W/M2800W/M2600W/M2200W/M2400W/M2051015200100200300U/VP/WT0T20T40T60T80051015200510U/VI/AT60T80T40T20T0河南理工大学毕业设计（论文）说明书12短路电流的变化幅度较大，这与理论分析想符合，也验证了所建立的光伏阵列仿真模型的正确性。从图中还可以看出光照强度越大，最大功率点处的电流越大，其最大功率点功率也越大，而其对应的最大功率点电压变化不大。当光伏阵列的工作点偏移到最大功率点的右侧时，如果工作电压继续增大，会出现光照强度越强发出的功率越小的现象，这种情况下显然造成了相对更大的功率损失。因此，在实际应用中应该尽量避免这种情况发生，在相对较小的电压范围内进行最大功率点跟踪。3、温度对光伏阵列输出特性的影响由图38可以看出，随着温度的降低，短路电流略有下降，而开路电压的增加较大，最大功率点功率也有较大的增加。显然，光伏阵列呈现出一种负温度系数。根据相关研究，光伏组件温度每升高1，则短路电流会增加004，而开路电压会减小04，最大功率点的功率会减小04。而光伏阵列必须要接受太阳光的照射才能工作，同时其自身工作的过程也会发热，因此必须要注意控制光伏阵列的工作温度。32最大功率跟踪算法的实现设计在通常的线性用电系统中，为了使负载获得最大的功率，通过对负载进行适当的匹配，使负载端电阻与供电系统中的等效内阻值相等，这样在负载端就可以获得最大的功率，如图39所示8。RIRO电源UIUO图39简单线性电路图中，UI为电压源，RI为电压源的等效内阻，RO为负载端的电阻，则负载上消耗的功率P为22319上式中，UI、RI均视为常数，则两端对RO求导，可得23320令0,即时，负载端消耗的功率为最大值。对于一些电源内阻不发生变化的供电系统，可以采用上述这种负载端电阻等于电源河南理工大学毕业设计（论文）说明书13内阻的简便方法获取最大功率的输出。但在太阳能电池供电系统中，太阳能电池的等效内阻不仅仅受日照强度的影响，而且还与外界环境温度及其所带负载大小的影响，因此其等效内阻值处在不断变化的状态中，从而对太阳能电池供电的系统不可采用上述方法使所带负载获得最大的输出功率。目前采用的方法是在太阳能电池阵列后级增设一个DCDC变换器，通过控制DCDC变换器中功率开关管的导通比来调整太阳能电池阵列，使其工作在最大功率点，从而实现对太阳能电池最大功率点的跟踪控制。从前面的分析可以看出光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且受光照强度、环境温度和负载情况影响。在一定的光照强度和环境温度下，光伏阵列可以工作在不同的输出电压上，由光伏阵列的PU特性曲线可知当光伏阵列的工作电压小于最大功率点电压UMAX时，光伏阵列的输出功率随阵列端电压上升而增加；当阵列的工作电压大于最大功率点电压UMAX时，阵列的输出功率随端电压上升而减小。称光伏阵列的输出功率电压曲线的最高点为最大功率点（MAXIMUMPOWERPOINT，MPP）。因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大功率点跟踪MAXIMUMPOWERPOINTTRACKING，MPPT。MPPT控制器IPVUPVPI三角载波UPVUREF图310最大功率控制图MPPT的实现实质上是一个自寻优过程，通过对阵列当前输出电压与电流的检测，得到当前阵列输出功率，再与已被存储的前一时刻阵列功率相比较，舍小存大，再检测，再比较，如此不停的周而复始，便可使光伏阵列动态地工作在最大功率点。实现最大功率跟踪的过程如图310所示9图中UPV为光伏电源的实际输出电压，UREF为光伏电源在某一温度下经过最大功率跟踪之后，最大功率点对应的输出电压，将光伏电源实际的输出电压与UREF比较之后经过PI调节，调节结果与三角波比较得到PWM脉冲，驱动功率器件导通与关断，从而调节光伏电源的负载阻抗，以实现最大功率跟踪。国内外文献提出了多种跟踪方法31112，可分为自寻优和非自寻优方法两大类型。其中自寻优方法主要包括扰动观测法、导纳增量法、恒定电压法或短路电流法、寄生电河南理工大学毕业设计（论文）说明书14容法和线性电流法以及基于爬山法或扰动观测法的改进自适应算法。非自寻优方法则主要包括曲线拟合法等。本章针对常用的MPPT实现方法定电压跟踪法、扰动观测法、导纳增量法等进行详细的分析。321定电压跟踪法定电压跟踪法115CONSTANTVOLTAGETRACKING，简称CVT是最简单也是最传统的一种功率跟踪方法，其理论基础是当太阳电池的温度不是主要影响因素时，不同光照强度对应的最大功率点电压变化范围并不大，在不同的光照强度下，光伏阵列都会存在着一个最大功率输出点，从功率角度上可以将它们视为当前工况下的最优点。由于光照强度与温度的变化将会改变最大功率点。而不同光照强度下光伏电池输出最大功率的点所对应的工作电压近似位于一条垂直的直线上，如图311所示。我们把不同光照强度下的最大功率点电压近似看成一个恒定的常数。利用恒定电压跟踪策略在光伏阵列和负载之间通过一定的阻抗变换，使得系统成为一个稳压器，即阵列的工作点总稳定在UM附近。这样不但简化了整个控制系统还可以保证它的输出功率接近最大功率输出点，因而在一定条件下恒定电压控制策略不但可以得到比直接匹配更高的功率输出，还可用来简化最大功率点跟踪控制。图311不同光照下的CVT图312不同温度下的CVTCVT的优点是易于实现，控制简单，可靠性高。太阳电池板的生产厂商在产品说明书中都会明确列出标准条件下的最大功率点电压，可以作为CVT使用的参考。但是很明显，CVT没有考虑温度对最大功率点电压的影响，在温度变化的时候，如图312所示，输出功率会远离最大功率点，造成损失。以单晶硅电池为例，当环境温度每升高10时，其开路电压下降率为035045。这表明光伏电池最大功率点对应的电压UM也随环境温度的变化而变化。对于四季温差或日温差比较大的地区，CVT控制方式并不能在所有的温度环境下完全的跟踪最大功率。温度对整个光伏阵列的输出将会产生比较大的影响，如果仍然采用这种方法只能通过降低系统的效率来保证其稳定性。010203040050100150200250U/VP/W1000W/M2200W/M2600W/M201020304050050100150200250U/VP/W53565河南理工大学毕业设计（论文）说明书15另外一种类似于定电压跟踪法的开路电压法，不是跟踪恒定的电压，而是跟踪变化的电压。由实验验证知，同一光照强度下的最大功率点电压UM与开路电压UO的比值只与光伏组件的参数有关，而对环境温度的变化不敏感，可近似认为是一常数078误差2。这种方法依据测量得到的开路电压，令该电压的78作为最大功率点对应的参考电压，并在一定时间内保持不变。优点是不会产生在最大功率点附近的振荡，并且结构简单，可以用廉价的模拟电路实现。但该算法的实施需要不停地开断开关元件以测量光伏阵列的开路电压，这会导致光伏阵列无法持续供电。同时光伏阵列的UM/UO并不总等于同一常数。因此，可以说该算法追踪的稳态误差较大，能量转换效率低，在实际应用中正逐渐被其他MPPT方法取代。322扰动观察法读取P1，增加U计算U2，I2P1P2计算P2增加U减少U计算P2YN图313扰动观察法流程图扰动观察法214也称为爬山法HILLCLIMBING简称HC。此方法是目前实现最大功率跟踪控制的常用方法之一。就是每隔一定的时间增加或者减少电压，并观测功率变化方向来确定下一步的控制信号。这种算法采用功率反馈，在每个控制周期用固定的步长改变光伏阵列的输出，方向可以是增加或者减小，控制对象可以是光伏阵列的输出电压或电流，这一过程叫做“干扰”。然后通过比较干扰周期前后光伏阵列的输出功率，如果输出功率增加，那么继续按照上一周期的“干扰”方向进行“干扰”，如果监测到输出功率减小，则改变“干扰”方向，这样光伏阵列的实际工作点就能逐渐接近当前最大功率点，最终在其附近的一个较小范围往复达到稳态。算法流程图如图313。光伏阵列和负载之间的接口通常采用PWM型的DC/DC变换器和DC/AC逆变器，通过调整PWM信号的占空比D来调节光伏阵列的工作电压，从而实现阻抗匹配的功能。因此，河南理工大学毕业设计（论文）说明书16占空比D的大小决定了光伏电池输出功率P的大小。PD的关系与PV的关系相似，并且当DP/DD0时，输出功率达到最大值，因此扰动观察法的原理仍然适用。通过当前功率P与前一时刻的功率P比较，从而决定占空比D的增减。这种方法直接把占空比D作为控制参数，只需要一个控制循环，从而减少了控制器设计的难度。323电导增量法读取U1、I1读取DU、DIUIDUDIDI0UIDUDIDI0DI0URURUURURUURURUURURU返回NYYYYNNNNY图314电导增量法流程图电导增量法113是通过比较太阳能电池阵列的瞬时导抗与导抗的变化量的方法来完成最大功率点跟踪的功能。光伏阵列的PU曲线是一个单峰的曲线，在输出功率最大点处，功率对电压的导数为零，要寻找最大功率点，只要在功率对电压的导数大于零的区域增加电压，在功率对电压的导数小于零的区域减小电压，在导数等于零或非常接近于零的时候，电压保持不变即可。分析如下321将上式两端对U求导，并将I作为U的函数，可得322所以得到以下三种情况1当0时，即时，；河南理工大学毕业设计（论文）说明书172当0时，即时，；3当0时，即时，；于是我们便可以根据DI/DU与I/U之间的关系来调整工作点电压而实现最大功率点跟踪，算法流程图如图314所示。采用电导增量法进行光伏阵列最大功率点跟踪控制，当光伏阵列工作于最大功率点时，系统电路的功率开关管占空比就不会再变化，因此理论上这种方法处于最大功率点时是不存在振荡的。对比于恒定电压法、扰动观察法，电导增量法跟踪控制更加精准，响应速度更快，且适合各种不同的环境。只是由于要计算光伏系统的瞬时电导与电导增量，对系统整体响应速度以及采样精度也有较高要求，这样就会增加系统成本。324其它MPPT方法1）间歇扫描法2这种方法是在定电压跟踪法的基础上得来的，只是用定时的扫描仪代替了从厂商处得来的UM。这种方法的思想是定时扫描一段阵列电压，同时记录下不同电压下对应的电流值，经过比较不同点的太阳电池阵列的输出功率就可以方便地得出最大功率点，而不需要一直处于搜寻状态。这种间歇扫描方法测定所需要的时间只是毫秒级，而定时扫描的时间间隔可以放宽至秒级。通过扫描计算出在该光照强度及温度条件下的最大功率及其相应的电压UM，并实时控制PWM的输出以使系统工作在与该UM相应的工作点上。这种方法一般不会产生振荡。2）模糊逻辑控制14由于太阳光照的不确定性、光伏阵列温度的变化、负载情况的变化以及光伏阵列输出特性的非线性等特征，要实现光伏阵列最大功率点的准确跟踪需要考虑的因素是很多的。针对这样的非线性系统，使用模糊逻辑控制方法进行控制，并可以通过DSP比较方便地执行，其中控制器的设计主要包括以下几个方面的内容确定模糊控制的输入变量和输出变量，归纳和总结模糊控制器的控制规则，确定模糊化和反模糊的方法，选择论域并确定有关参数。使用模糊逻辑方法进行光伏系统的MPPT控制，具有较好的动态特性和精度，具有十分广阔的应用前景。另外，模糊控制由于其自身理论还不够完善，并不能适合所有应用场合。目前在光伏系统MPPT控制具体应用中，模糊控制仍处于研究阶段。河南理工大学毕业设计（论文）说明书183）滞环比较法12滞环比较法可以避免扰动观测法中的扰动误差以及误判现象。因为自然界中，光照强度并不会出现控制意义上的快速变化，因此，采用滞环比较法可以在光照强度快速变化时并不跟随快速移动的工作点，而是在光照强度达到比较稳定后再跟踪到最大功率点，从而减小了扰动损失。4）最优梯度法12最优梯度法是一种以梯度法（GRADIENTMETHOD）为基础的多元无约束最优化问题的数值计算法。它的基本思想是选取目标函数的负梯度方向（对于光伏系统，可能需要选择正梯度方向）作为每步迭代的跟踪方向，逐步逼近函数的最小值（或最大值）。梯度法是一种传统且广泛运用于求取函数极值的方法，该方法运算简单，有着令人满意的分析结果。5）神经网络控制法2电压电流温度最大功率点参数图315神经网络法MPPT控制实现过程示意图神经网络需要学习的过程，即利用外部条件作用于神经网络，使其能重新对外界做出反应。以一种基于神经前馈网络的MPPT控制算法为例进行介绍。由于前馈系统是单一传输方向，因此在神经网络的学习和实现过程中都有较大的优势，其神经网络结构如图315所示。神经网络有三层，分别是输入层、隐含层和输出层。输入层有三个神经元，分别是光伏电池电压、电流和温度。输出层只有一个神经元，用来控制变换器使光伏电池板工作在最大功率点。整个网络为全连接网络，即每一个输出神经元通过一个权重后与隐含层中的所有神经元相连接（图中未画出）。同时，偏置信号也通过一个权重后与所有神经元相耦合（图中未画出）。建立前馈神经网络后，用反向传播法对算法进行训练。反向传播法仅需要输入参数和期望输出就可以对神经网络中的连接权的权重进行训练。反向传播训练也称为监督训练，即先根据已有的输入数据和期望输出进行学习。学习一定时间后，即可比较实际输出和期望输出的误差，如果误差不满足要求，则继续学习，直至误差满足要求。河南理工大学毕业设计（论文）说明书19325最大功率跟踪算法的确定根据前面对最大功率点跟踪方法的分析可知，相比其它寻优方法，电导增量法有着显著的优点，如跟踪准确度高、跟踪速度快等。当然它也有自身的缺点，如在控制步长的选择上，也始终无法兼顾控制速度和控制精度。针对这个缺点，很多文献提出了包括自适应算法在内的改进算法。根据光伏电池的PU输出特性如图34所示，当光伏电池工作在最大功率点附近时，我们希望电压的调节步长较小，能够稳定地达到最大功率点，如果步长过大，会引起在最大功率点附近的波动，产生较大的功率损失；当光伏电池工作在远离最大功率点的区域时，我们希望工作点能够尽快移向最大功率点，这时就需要较大的电压调节步长。调节电压是为了调节输出功率，从图34中可以看出，最大功率点附近波形较其它区域平缓，如果此时电压的调节步长较小，那么前后功率的变化量也是较小的；在其它区域，电压的调节步长较大，则其前后两次功率的变化量也是较大的。从这个分析出发，可以考虑直接从功率的变化量来判断光伏电池的工作点是否处于最大功率点附近，从而形成一种变步长算法。同时，从图34中可以观察到，光伏电池工作在最大功率